KR800000823B1 - 가압 연료 전지 발전설비 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

가압 연료 전지 발전설비

제1도는 본 발명에 의한 발전설비의 개략도.

제2도는 본 발명의 발전설비에 사용되는 터어보충전기(turbocharger)의 횡단면도.

제3도는 본 발명에 의한 발전설비에 사용되는 연료전지의 성능을 도해한 그래프.

제4도는 본 발명의 발전설비에 사용되는 증기 재생반응기의 성능을 도해한 그래프.

본 발명은 전력설비, 특히 동력원으로서 연료 전지를 사용하는 발전용 전력설비에 관한 것이다.

연료 전지기술에 있어서 연료전지의 성능을 개선하기 위한 3가지의 일반적인 방법이 있다. 첫번째 방법은 연료전지가 작동하는 온도를 높이는 것이다. 그러나 이 방법은 재료의 부식과, 산성 전해질 전지에 있어서 산의 증발로 인하여 제한된다. 두번째 방법은 전극 표면부위의 평방 인치당 촉매의 양을 증가시키는 방법이다. 그러나, 이 방법도 전극의 일정부위에 넣을 수 있는 촉매의 양에 있어서 비용의 증가와 실제적인 한계 때문에 제한된다.

세번째 방법은 연료전지내에 있는 반응물질의 압력을 증가시키는 방법이다. 반응 물질의 압력이 증가될수록 연료 전지의 성능이 더 좋아진다는 것은 잘 알려진 기술이다. 이러한 방법에 있어서의 장애물중의 하나는 반응물질을 가압시키기 위하여 상당한 에너지가 필요하다는 것이다. 예를 들어, 반응물질을 가압하기 위해 필요한 에너지는 연료전지에 의해 만들어진 전기에너지이어야 된다고 생각되었다. 즉 압축기를 구동하는데 전기 에너지가 사용된다고 생각되었다.

문제는 반응물질의 적당한 압력을 내기 위하여 압축기를 구동하는데 전지의 전기출력의 30%가 소모된다는 것이다. 이것은 소요되는 전력의 손실을 보충하기 위하여 연료 전지의 크기가 50% 가량 증가되어야함을 의미한다. 연료전지 자체가 연료 전지발전설비의 가장 고가부분이므로 효율의 증대는 연료전지를 크게할 때 발생하는 비용의 증가에 의해 상쇄된다. 연료전지에서 발생되는 총 전력의 증가 때문에 응축장치와 연료조절장치와 같은 전력설비의 다른 부분도 비례적으로 증가되어야 한다. 이것은 발전설비의 크기와 비용을 더욱 증가시킨다. 그 밖에도 고압의 반응 물질을 사용하는 발전설비계통에 있어서 다른 뚜렷한 결점들은 반응 물질을 가압하기 위한 부수적인 장치의 비용과, 고가의 봉합장치의 필요성, 그리고 고압에 견디기 위해 더 튼튼한 부품들의 사용으로 인한 추가 비용 등이다. 공기를 산화제로 사용하는 발전설비에 관한 이상의 고찰에서, 실제적인 이익은 없을 것이며, 연료전지에 고압반응 물질을 사용하는 발전설비의 경우, 사실상 결점이 있을 것 같다고 생각되어 왔다. 이러한 이유로 현재까지는 이러한 연료전지 발전 설비에서는 반응물질을 항상 대기압에서 사용하여 왔다.

본 발명의 한 목적은 가압된 반응물질로 운전되는 경제적으로 이익 있는 연료 전지 발전설비를 제공함에 있다.

본 발명의 또 하나의 목적은 더 효율적인 연료전지 발전설비를 제공함에 있다.

또 다른 목적은 종래의 비슷한 용량의 연료전지 발전설비에 비해 크기가 작고 전체적인 부품가격이 저렴한 발전설비를 제공함에 있다.

따라서, 본 발명은 발전설비에서 나오는 폐(廢)에너지에 의하여 구동되는 압축장치로 부터 고압으로 산화제가 공급되는 연료 전지를 사용하여 전력을 발생하는 발전 설비에 관한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 있어서 공기와 연료 모두가 전지에 고압으로 공급되고, 음극가스 유출물의 에너지가 터어빈을 구동하는데 사용되고, 이 터어빈은 다시 산화제를 음극으로 압축해 보내는 압축기를 구동시킨다.

연료 전지에서 나오는 전기 에너지는 공기를 압축하기 위하여 쓰이지 않으므로 발전설비의 용량을 그대로 유지하기 위하여 연료전지의 크기를 늘릴필요는 없다. 사실, 연료전지의 크기를 늘리지 않고도 연료전지가 더 많은 전기 에너지를 생산할 수 있게 되는 성능의 개선에는 많은 장점이 있는 것이다.

더우기, 아직까지 알려지지 않은 다른 장점들이 있으므로 본 발명에 의하여 설계된 연료전지 발전 설비의 매력을 더욱 증가시킨다. 예를 들어, 본 발명의 한 장점은 현 발전소의 용수를 회수하는 장치와 응축장치의 크기를 대략1/2이나 1/3로 줄일 수 있다. 이 점이 특히 중요한데, 그 이유는 종래의 연료전지 발전 설비에서 용수를 회수하는 장치의 크기는 연료 전지와 연료 조절장치를 결합한 만큼의 크기이기 때문이다.

본 발명의 또다른 장점은 증기 재생 반응기(즉, 연료 조절장치의 한부분)의 크기를 종래기술에서 같은 정도의 용량의 발전용 전력설비의 증기 재생 반응기 크기의 1/2정도로 줄일 수 있다. 이상 설명한 그리고 또 다른 본 발명의 목적 및 특징과 장점은 첨부도면에 도해된 바와 같은, 실시예의 상세한 설명으로 부터 충분히 설명될 것이고, 더욱 명백해질 것이다.

본 발명의 한 실시예로서 제1도에 개략도시된 발전설비에 대해 고찰해 본다. 발전설비 10은 연료전지 12, 압축기장치 14, 연료조절장치 16, 응축기 18, 보일러 20 및 축열장치 22로 구성되어 있다. 연료 전지 12는 기체상태의 반응물질로 작동되는 종래의 어떤 형태의 연료전지도 가능하다. 본 실시예에서 산화제는 공기이고 연료는 수소이다. 그러나 이것은 일예에 불과하고 다른 산화제와 연료를 사용할 수도 있다. 연료 전지 12는 일반적으로 여러개의 연료전지가 전기적으로 직렬로 부하를 통하여 연결되어 구성이나, 여기서는 설명을 명백하게 하기 위하여 온도조절부분 15와 한개의 연료 전지 13만 있는 것으로 도시하였다. 여기 도시된 바와 같이 각각의 전지는 양극 26으로부터 간격지어 있는 음극 24를 포함하며, 그 사이에 전해질 함유 매트릭스 28을 포함한다. 이 실시예에서 전해질은 인산 수용액이지만, 본 발명은 전해질을 이것으로만 국한시키는 것이 아니라 산과 염기 전해질 뿐만 아니라 금속 산화물 전해질이나 고체중합체 전해질과 같은 고체 전해질도 본 발명에 따라 설계된 발전설비에 사용 가능하다. 전극 24, 26은 부하 29를 통하여 직렬로 연결되어 있다. 각 전지 13은 또한 음극 전극 24의 비전해질쪽에 음극 가스공간 30을 그리고 양극 26의 비전해질쪽에 양극 가스 공간 32을 포함한다. 본 실시예에서 연료 조절 장치 16은 증기 재생반응기 34와 반응기 버너 36을 포함한다. 압축장치 14는 배기 터어빈 40에 의해 축 39를 통하여 구동되는 압축기 38로 구성되는 터어보충전기이고 발전설비 10의 다른 부분과 함께 앞으로 더 자세히 설명하겠다.

제1도에서 작동중에는 공기가 도관 41을 통하여 압축기 38로 들어가서 압축된다. 대기압보다 큰 어떠한 압력이라도 가압되지 않은 발전 설비보다 어느정도 이롭지만, 전체 발전설비에 실제로 이익이 되기 위하여는 2기압 혹은 그 이상의 압력이 바람직하다. 이러한 가압된 공기는 도관 42를 통하여 음극 가스공간 30에 들어가서 매트릭스 28내의 인산 전해질과 음극전극 24내에서 전기 화학적으로 반응하여 전기와 물을 만들고, 물의 일부분은 증발하여 음극 가스공간 30을 통하여 흐르는 가스유출물로 되돌아간다. 습기찬 고온의 음극 유출물은 도관 44를 통하여 가스 공간 30을 나와 축열장치 22를 통과하고 나서 응축기 18을 통과한다. 냉각 공기는 도관 46을 통하여 응축기 18에 들어가서 도관 48을 통하여 가열된 상태로 나온다. 음극 유출물은 응축기 18에서 물이 응축되는 정도까지 냉각되어 앞으로 설명될 연료 조절 장치 16에서 사용하기 위하여 모아진다. 비교적 찬 음극 유출물은 도관 50을 통하여 응축기를 나와 축열장치 22에 들어가서 잃은 열을 어느정도 보충한다. 재가열된 음극 유출물은 축열장치로부터 도관 52를 통하여 터어빈 40으로 운반되어 터어빈 40을 구동할 동력을 제공하고, 터어빈은 다시 압축기 38을 구동시킨다. 필요하면 보조 버어너 54가 축열장치 22를 나온 음극 유출물의 에너지를 더욱 끌어올리기 위하여 이용될 수도 있다. 이 경우 버어너 54는 촉매 버어너이다. 연료는 필요한 만큼 도관 56을 통하여 보조 버어너 54에 들어간다. 터어빈 40을 통과한 음극 유출가스에 있는 나머지 에너지는 도관 58을 통하여 버려지거나 발전설비의 다른 부분에서 사용할 수 있다.

양극쪽에서는 납사(naptha)와 같은 수소를 함유하는 펌프 60에 의하여 음극 가스 공간 30으로 들어가는 공기와 같은 정도의 압력으로 가압된 액체 연료가 보일러 20으로부터의 증기와 61에서 혼합되어 도관 62를 통하여 증기 재생반응기 34로 들어간다. 여기에 도시되진 않았지만 반응기 34로 들어가는 유출물이 증기상태로 되기 위해서, 연료는 62에서 증기와 결합될 때 분무되는 것이 좋다.

보일러 20은 필요하다면 자체의 버어너와 연료공급장치를 가질 수 있으나, 여기 도시된 바와 같이 본실시예에서 보일러 20은 연료전지 12에서 나온 폐열로 움직인다. 도시된 바와 같이, 실리콘유와 같은 냉각제는 도관 64를 통하여 전지 12의 온도 조절부분 15로 들어가 전지 12에 의해 발생되는 열을 흡수하고, 도관 66을 통하여 나온다. 응축기 18에서 나온 물은 도관 67을 통하여 보일러 20에 들어간다. 보일러 20에 들어간 냉각액체는 보일러에 있는 물을 증기로 만들기 위하여 열을 빼앗긴다. 냉각 액체는 보일러 20을 나와 레디에미터 68에 들어가 펌프 69에 의해 연료 전지로 다시 보내지기전에 남은 열을 방출한다.

수소 기체와 혹은 약간의 불순물의 형태의 가압연료는 도관 70에 의하여 증기 재생반응기 34에서 나와 연료 전지 13의 양극 가스 공간 32로 들어가서 전해질과 전기 화학적으로 반응한다. 본 실시예에서 양극과 음극 가스 공간 사이의 가스 교차의 위험을 최소로 하기 위하여 양극 가스 유출의 압력과 음극 가스유출의 압력을 같게 하는 것이 좋다고 생각된다. 양극 유출가스는 도관 72에 의하여 양극 가스공간 32를 나와 공기와 함께 도관 74를 지나 버어너 36을 통과하여 증기 재생 반응기에 열을 제공해 준다. 반응기 버어너 유출물은 대기로 배출되거나 본 실시예에서 보여진 것과 같이 도관 78을 거쳐서 축열장치 76을 통과하며, 거기서 그 열은 보일러 20을 나오는 증기를 과열시키는데 사용된다. 반응기 버어너 36은 고압 버어너이어도 되고 저압버어너이어도 된다. 본 실시예에서 버어너에 공급 공기를 압축할 필요를 없애기 위해 저합 버어너가 사용되었다. 이것은 도관 72내의 고압의 양극 가스 유출물이 반응기 버어너 36에 들어가기전에 대기압으로 줄어져야함을 의미한다. 조절판 80은 이 목적을 위하여 있는 것이다.

본 실시예에서 비록 반응기 34에 쓰이는 물이 음극 가스 유출물에서 물을 응축하여 얻었으나, 발전설비가 강이나 호수나 큰물 저장탱크옆에 있을 수도 있다. 이런 경우에는 용수 회수 장치를 제거할 수 있고 이러한 다른 공급원으로부터 반응기에 물을 공급할 수 있다. 이때는 축열장치 22도 역시 필요없다.

비록 여기서는 연료 조절 장치가 증기 재생반응기와 반응기 버어너로 구성된 것으로 도시되나, 본 발명에 따른 발전실비의 연료조절 장치는 단계 변환기(shift converter)나 분리식 산화기(selective oxidizer)와 같은 다른 부족장치를 포함할 수도 있다. 연료 조절 장치의 필요성은 부분적으로는 사용되는 원료연료와 연료전지내의 전지의 특수한 설계에 달려 있다. 사실상, 연료 조절장치는 증기재생반응기와 반응기 버어너 대신에 부분적인 산화수소 발생기를 포함할 수 있다.

본 발명에 따라 설계된 발전설비에서 사용하기에 적당한 터어보 충전기의 예로서 제2도에 도시된 것을 고찰해 본다. 주위공기가 압축기 도관 100에 들어가서 첫단의 원심날개에 충돌되어 공기에 속도헤드(head)가 전달된다. 고속도의 공기가 확산기 104로 흘러들어가 거기서 속도 헤드가 압력헤드로 바뀐다. 제1도의 실시예에서 압축된 공기는 도관 42에 의하여 확산기 104를 나와 음극 가스 공간 30으로 들어간다. 더운 가스는 터어빈 입구 106(제1도의 도관 52와 같은)에 들어가서 원심 터어빈 회전자 108을 통하여 흐르고, 회전자는 가스 유출물의 열 에너지를 압축기 날개 102에 연결되어 있는 축을 돌리는 축마력으로 바꾼다. 가스는 터어빈 출구 도관 112에 의하여 배출된다.

제2도에 도시된 터어보충전기는 본 발명에 따른 발전설비에 사용하기에 적합한 형태의 장치를 설명한 것이다. 본 발전설비에 사용하기 위해 선정된 연료전지에 필요한 유량 및 유압을 제공하기에 충분한 크기의 어떠한 상용 터어보충 전기가 사용되어도 된다. 예를 들어 연료 전지의 반응 기체의 압력이 3.5기압이 되어야 하는 1,200kwatt의 발전설비에는 브라운 보버리모델 PR150 터어보충전기가 적합할 것이다. 이 특별한 모델은 3.52kg/㎠의 압력에서 1.36kg/sec 정도의 대량 유량을 제공할 능력이 있다. “터어보 충전기”란 용어가 비록 본 명세서에서 사용된 바와 같이 원심압축기를 연상시켰지만, 축방향 압축기도 가능하다. 원심 압축기는 축방향압축기에서 보통 얻기 힘든 높은 효율과 높은 초단 압축 비율을 가지기 때문에 선택된 것이다. 또한, 비록 제2도의 터어보충전기는 원심 압축기이지만 본 발명에 따른 발전설비에 축방향 터어빈을 사용하는 터어보충전기도 사용 가능하다.

제2도에 도시된 것은 비록 본 기술분야에서 터어보충전기라고 명명되는 전형적인 것이지만, 본 발명은 여기에만 국한되는 것이 아니라, 다른 가스를 압축하기 위해 가압된 고온 가스 유출물(특히 배출가스)의 에너지를 사용하는 어떤 장치도 될 수 있다. 예를 들어 압축기를 구동시킬 수 있고 그 자체가 가압된 고온 가스 유출물에 의해 움직이는 열기관은 무엇이든지 사용할 수 있다. 또한, 압축과 팽창파를 이용하는 팽가스로부터 직접 에너지를 전달받아 공기를 압축하는 Comprex(스위스의 바데에 있는 브라운 보버리회사의 등록상표)과급기나, 비슷한 원리로 작동되는 다른 장치도 사용 가능하다. Comprex 과급기의 개념은 본분야의 기술에서 잘 알려져 있고 1958년 3월에 발행된 멕스 버치톨드와 에프. 제이. 가디너의 “콤프랙스-디젤과급기의 새로운 개념”이란 ASME 논문 번호 제58-GTP-16호에 상세히 설명되어 있다.

본 발명의 장점과 작동을 충분히 인지하고 이해하기 위하여 반응물질을 대기압으로 하여 연료전지를 사용하는 방법과 반응물질의 전압력을 예를 들어 3.5기압으로 하여 연료전지를 사용하는 방법을 비교하기 위하여 제3도를 참조한다. 전지들 간에 비교를 할때 참작하여야 하는 변수가 몇가지 있다. 반응물질 이용도는 전지내에서 전기화학적 반응에 쓰여지는 양극이나 음극의 반응물질 유량의 무게를 전지에 들어가는 수소와 산소의 유량의 무게로 각각 나눈 값이다. 그리하여 수소와 산소에 의해 작동하는 연료 전지에는 음극에 산소의 이용도(U_O2)가, 그리고 양극에 수소의 이용도(U_O2)가 있다. 반응물질 이용도를 높이면 전지를 통하여 흐르는 파운드당 가스 유출량에서 더 많은 반응 물질이 추출되므로 양극과 음극에서의 반응물질의 분압이 자동적으로 낮아진다. 그리하여, 전극 표면상의 가스 유출물중의 반응물질의 평균량은 입구에서 출구까지 적어진다. 제3도에서 기압 1.0으로 표시된 곡선은 특별한 수소와 산소의 이용도에서 전지의 성능을 나타낸다. 3.5기압으로 표시된 굵은 곡선은 같은 반응물질의 이용도에서의 전시의 성능을 나타낸다. 또한 이들 각 곡선으로 표시된 전지는 같은 온도에서 작동하는 것으로 가정한다. 잘 알려진 타펠(Tafel)방정식은 산소의 분압이 커지면 음극성능이 증대됨(즉 전압의 상승)을 나타낸다. 이 방정식은 다음과 같다.

여기서는 상수이다. 네론스트(Nernst)방정식은 수소의 분압이 커지면 양극 성능이 증대됨(즉 전지전압의 증가)을 나타낸다. 네론스트 방정식은 다음과 같다.

여기서 C는 상수이다. 일정한 온도와 일정한 이용도에서는 반응물질의 전압력의 증기는 음극성능과 양극성능을 개선하는 두극의 반응물질의 분압의 증가를 일으킨다. 연료전지의 전체성능 개선은 다음과 같이 간단히 서술할 수 있다.

식 (3)의 좌변은 제3도의 일정 전류 밀도에서 점 A와 점 B 사이의 전압차로 표시된다. 또 제3도의 그라프에서 반응물질의 압력을 3.5기압에서 운전하는 것은 점 C에서 운전하여서 전지출력 전압을 줄이지 않고도 전지의 크기를 줄일 수 있음을 나타낸다.

제3도의 그라프에서 점선으로 표시된 곡선 역시 반응물질의 압력이 각각 1기압, 3.5기압에서 동작하는 전지 효율을 나타낸다. 이 곡선은 굵은 곡선에 비해 더 높은 반응물질 이용도가 되게 설계된 전지의 성능을 나타낸 것 이외에 다른 면은 모두 같다. 3.5기압에서 전지는 더 높은 반응물질 이용도에서 동작할 수 있으며, 종래 기술에 비하여 점 B'에서 운전되어서 전지 전압이 증가되거나 점C′에서 운전되어서 같은 전지압에 대해 전류밀도의 증가(즉, 전지의 크기의 감소)를 보여줌에 주의한다. 반면에 반응물질을 대기압으로 하여 사용하는 전지에 있어서 이용도의 중증가는 전지의 크기를 증대시켜야 하거나 같은 전지의 크기를 유지하려면 전압의 손실을 감수하여야 함을 뜻한다. 높은 수소이용도에서 효율을 희생하지 않거나 전지의 크기를 늘리지 않고 동작할 수 있다는 중요성은 다음에 기술하는 본 발명의 더 바람직한 실시예의 발전설비에서 증기 재생반반기 34의 작동에 관한 서술에서 명백해진다.

149℃ 이상의 온도와 대기압에서 작동하는 종래의 방법에 인산 전해질 연료전지에서는 인산 전해질의 증발이 일어난다. 인산증발의 영향으로 발전설비의 수명기간중 규칙적으로 인산이 추가되어야 한다. 인산의 증발은 다음 관계식에 의한 음극 가스공간에 흐르는 공기의 유속, 산의 분압, 그리고 음극가스 공간에서의 전 가스 압력의 함수이다.

앞의 식에서 음극가스 공간에서 흘러들어가는 가스의 전압력의 증가에 의해 산의 손실을 줄일 수 있음이 명백하다. 또 전압력을 증가시키면 전해질의 농도가 낮아짐으로 인하여 산의 증기압을 줄일 수 있고, 나아가서는 산의 손실을 줄일 수 있다. 또한 본 발명의 발전설비에 사용된 높은 반응 물질의 압력의 연료전지는 높은 산소이용도에서 운전될 수 있으므로 음극 가스 공간을 통하는 공기의 유속이 줄어들어 인산 손실은 더욱 줄어든다. 앞의 요인들이 결합되어 산의 손실을 상당히 줄일 수 있다.

증기 재생반응기의 성능을 나타낸 그라프는 제4도에 도시된다. 재생효율(η_R)을 수직축에 잡고 가압 가스유출유속(W)을 반응기의 열전도 면적 (A_HX)으로 나눈 값을 수평축으로 잡는다. A_HX항은 반응기의 크기와 직접적으로 관계가 있으므로 수평축에서 오른쪽으로 갈수록 반응기의 크기가 줄어든다. 재생효율은 다음식으로 정의된다.

여기서 K는 상수이고, U_H2는 연료 전지에서 수소 이용도이고, 적(積)(α,β)는 반응기에서의 연료 변환도이다. 연료 변환도(α,β)는 투입연료에서 CO₂로 변하는 탄소의 퍼센트이다. 이것은 증기 재생 반응에서 발생되는 수소의 양을 나타낸다. 제4도에서 표시된 것은 U_H2로 표시된 수소 이용도 곡선과 더 높은 수소이용도 곡선인 U'_H2로 표시된 곡선과 함깨 90%와 75%의 연료변환곡선이 도시되어 있다. 비교할 목적으로 U_H2곡선은 제3도의 굵은 곡선으로 표시된 수소 이용도 곡선이고,_,U'_H2곡선은 제3도의 점선으로 표시된 수소 이용도 곡선이라 가정한다. 제3도를 참조해서 설명된 바와 같이 대기압으로 반응물질을 이용하는 연료전지는 특별한 전지크기로 일정한 전지 전압을 얻기 위하여(즉, 동작점 A와 같이)특별한 수소 이용도 U_H2에서 작동되도록 한정된다. 특별한 수소이용도를 선택했기 때문에 증기재생 반응기의 작동은 수소이용도 곡선 U_H2상의 어느 지점에서 되어야 한다. 그러므로 특별한 연료 전지를 위한 반응기 효율과 반응기의 크기를 가장 잘 조합하는 것이 중요하다. 일반적으로 반응기의 크기를 적당한 정도로 제한하기 위해 종래 기술의 반응기의 연료 변환도는 90% 부근이었다. 따라서 종래 사용된 증기 재생 반응기는 점 D에서 작동되었다. 이제 연료 전지를 높은 수소이용도에서 운전하는 것이 중요한가 하는 이유가 명백하여졌다.

예를 들어, 본 발명에 따라 설계된 발전설비에서는 U'_H2곡선을 따라 운전하는 것이 가능하다. 반응기가 낮은 연료 변환도에서 운전될 수 있으므로 효율을 줄이지 않고도 더 작은 증기 재생 반응기를 사용할 수 있다. 이 동작점은 제4도에서 E로 표시된 점이다. 물론 필요하다면 동작점 F에서 운전하여서 반응기의 크기를 그대로 하고 반응기 효율을 증가시킬 수 있다. 비록 높은 반응 물질이 용도에서 운전하면 연료전지의 성능에 약간 손실이 오지만(제3도 참조) 연료 전지성능은 그래도 현저히 개선되었고, 그밖에 증기재생 반응기에 현저한 개선이 실현될 수 있다. 이러한 것은 연료 전지에서 높은 반응 물질이용도가 증기 재생 반응기에 이롭긴 하지만 이러한 이점이 연료전지 성능에 해로운 영향으로 상쇄되는 이전의 방법과 대조적이다.

본 발명에 따라 발전설비를 설계하는데는, 물론 반응기 성능을 개선하느냐 연료전지성능을 개선하느냐는 선택의 문제가 있다. 그리하여 반응물질 이용도, 전지크기, 전지출력전압, 반응기의 크기, 반응기효율, 반응기연료 변환도는 설계되는 발전용 발전설비의 특별한 목적에 따라 선택되어야 한다.

본 실시예에서는 연료로는 납사가 사용되며 증기 재생반응기 34는 니켈 촉매를 사용하는 잘 알려진 형태라고 생각된다. 그러나, 반응기는 수소를 발생하는 어떠한 종래의 장치라도 가능하다. 예를 들어, 비록 증기재생 반응기보다 효율이 떨어지지만, 부분산화 수소발생장치를 쓸 수도 있으며 높은 반응 가스 압력으로 상당히 좋아진다. 어떤 경우에는, 예를 들어 전지의 연료로 순수한 수소를 쓸 수 있는 경우에는 연료조정 장치는 필요하지조차 않다.

본 발명에 따라 설계된 발전설비에서는 종래에 사용하던 응축기보다 상당히 작은 응축기를 사용할 수 있다. 파라데이 법칙에 의하면 일정 전류에 대해 전지에서 일정량의 물이 나온다. 이 물은 음극 가스 유출물 형태로 전지에서 나온다. 증기 재생반응에 일정량의 물이 필요하다는 것은 알려져 있으며 이 물은 본 발명에서는 종래 기술과 마찬가지로 음극 가스유출물에서 적어도 일부분이 얻어진다. 이 물은 응축기에 의해 음극 가스유출물에서 제거된다. 가스 유출물이 대기압인 종래의 인산 전해질 잘전설비에서는 가스의 노점이 너무 낮기 때문에 증기 재생반응기의 운전을 위한 충분한 양의 물을 응축하기 위하여, 응축기를 나오는 가스 유출물의 온도는 적어도 주위의 냉각 공기보다 몇도 높아야 한다. 따라서 매우 큰 응축기가 필요하다. 지금까지 이야기한 것과 같이 종전의 연료 전지 발전설비에서는 응축기가 가장 큰 부품이었다.

본 발명에 따른 가압 발전설비에서는 음극 가스 공간을 나온 가스 유출물의 노점이 가스 유출물의 더 높은 압력 때문에 종래 기술에서 보다 훨씬 높다.

예를 들어 3.2kg/㎠의 압력에서 149℃의 전지를 나오는 가스유출물은 대기압에서 149℃의 전지에서 나오는 가스 유출물 온도 보다 약 34℃높다. 이것은 같은 양의 물을 응축하기 위하여 가스 유출물의 온도를 가압되지 않은 장치에서와 같이 낮은 온도로 낮출 필요가 없다는 것을 의미한다. 다시 말하면 응축기 냉각 공기의 온도와 응축기를 나오는 가스유출물의 온도 사이에는 상당한 차이가 있다. 가압장치와 가압되지 않은 장치 둘다 32℃의 냉각공기를 사용한다고 가정하면 응축기의 크기는 1/2혹은 1/3로 줄일 수 있다고 추정된다. 이같이 응축기의 크기를 줄일 수 있는 것이 본 발명의 주요 장점중의 하나이며 발전설비의 비용을 현저히 줄이는데 도움이 된다.

비록 본 발명은 그 한 실시예로서 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 이념과 범위를 이탈하지 않는한 다른 많은 변경과 개량을 할 수 있다는 것은 본 기술분야에 숙련된 사람들에게 자명한 사실이다.

Claims (1)

1. 다수의 연료전지들이 부하에 직렬로 연결되며, 각 전지는 음극전극, 양극 전극, 그 사이의 전해질, 음극전극의 비전해질쪽에 있는 음극 가스공간, 그리고 양극전극의 비전해질쪽에 있는 양극 가스공간으로 구성되고, 압축기장치는 압축기와 터어빈으로 구성되어 터어빈 이 압축기에 작동되게 연결되며, 연료조절장치에는 수소함유 연료에서 수소를 발생시키기 위한 반응기장치가 포함되고, 반응기에 열을 공급하기 위한 버어너 장치와, 압축기장치에서 음극가스 공간으로 적어도 2기압으로 공기를 공급하고, 가압된 수소함유 연료를 반응기 장치에 공급하며, 가압된 수소를 연료조절 장치에서 양극가스 공간으로 공급하고, 버어너 장치에 연료를 공급하기 위해 버어너에 양극 유출물가스를 공급하며, 음극 유출물가스에 에너지를 더하기 위해 터어빈을 구동시키고 터어빈의 상류와 음극가스 공간의 하류에 배치되는 장치를 포함한 압축기 장치를 구동시키기 위하여 가압된 유출물가스를 음극 가스공간에서 터어빈으로 공급하는 장치들로 구성되는 가압연료 전지 발전 설비.

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